自動變速器效率提升關(guān)鍵技術(shù)概述

姜聰慧 顧強(qiáng) 梁偉朋

（中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長春 130013）

1 前言

隨著能源問題和環(huán)境問題的日益突顯，全球各國的汽車能耗和排放法規(guī)日益嚴(yán)苛。在此背景下，節(jié)能環(huán)保技術(shù)得到廣泛的研究和應(yīng)用。其中，高效自動變速器技術(shù)對節(jié)能環(huán)保有較大貢獻(xiàn)。據(jù)Fabio Vacca等的研究結(jié)果[1]，在中、高輸入扭矩區(qū)，變速器效率提升5%～9%，發(fā)動機(jī)燃油消耗降低9.2%～11.5%。在我國，高效自動變速器作為關(guān)鍵總成，國務(wù)院《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》[2]中強(qiáng)調(diào)需增加研發(fā)能力并加大投入力度。

自動變速器包括雙離合器自動變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）、機(jī)械式自動變速器（Automated Mechanical Transmission，AMT）、液力自動變速器（Automatic Transmission，AT）和無級自動變速器（Continuously Variable Transmission，CVT）等類型[3]。本文以目前主流的DCT為研究對象，基于變速器能量損失模型，對先進(jìn)的效率提升的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)和效果進(jìn)行論述。

2 自動變速器能量損失模型

近年來，由于汽車能源消耗和排放性能的關(guān)注度逐年提升，動力總成效率方面的研究日益增多。自動變速器作為動力總成中的關(guān)鍵總成，其效率損失的影響因素、各影響因素所占比重的研究均取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。Fabio Vacca等[1]基于前人的研究成果，概括總結(jié)出了DCT變速器的能量損失模型，如圖1所示。

圖1 變速器效率損失模型[1]

變速器效率損失主要包括7大方面：齒輪嚙合損失、軸承能量損失、同步器和密封件能量損失、齒輪箱攪油損失、濕式離合器攪油損失和微滑磨損失、冷卻油路能量損失和泵能量損失。上述各效率損失隨變速器工作條件（變速器擋位、輸入軸轉(zhuǎn)速、輸入扭矩等）不同，在總效率損失中所占比例也不同。在20 r/min的滑磨差下，濕式離合器攪油損失和微滑磨損失占到20%以上，在一些工況下可達(dá)到30%～40%。在文獻(xiàn)[1]所列的工況下，同步器和密封件能量損失均較小。

3 效率提升關(guān)鍵技術(shù)分析

通過效率損失分析可以看出，降低齒輪嚙合損失、軸承能量損失、攪油損失、冷卻流量能量損失、泵能量損失，尤其是離合器攪油損失和微滑磨損失是效率提升技術(shù)的主要努力方向。目前的效率提升關(guān)鍵技術(shù)包括干油箱技術(shù)、高效液壓技術(shù)、高效的離合器技術(shù)、齒輪修形技術(shù)、多擋化技術(shù)和低粘度油技術(shù)。其中，干油箱技術(shù)、高效液壓技術(shù)和低滑磨濕式離合器技術(shù)在大眾的DL382變速器產(chǎn)品中獲得應(yīng)用，取得良好的效果。干式離合器以舍弗勒公司的研究較為深入和典型。

3.1 干油箱技術(shù)

干油箱技術(shù)已在奧迪A6等車型匹配的DL382-7F變速器中應(yīng)用[4]，如圖2所示。位于油箱底部的電動油泵吸取齒輪腔內(nèi)的油，向頂部的油箱中輸送約10 kPa的壓力油，頂部油箱中的油用于軸和齒輪的潤滑。該套潤滑系統(tǒng)使得齒輪腔內(nèi)部的油液面降低，從而減少了齒輪的攪油損失。干油箱技術(shù)結(jié)合低粘度油技術(shù)應(yīng)用，可大幅降低攪油和滑磨損失。按大眾公司的經(jīng)驗(yàn)，使用這項(xiàng)技術(shù)的變速器匹配4缸發(fā)動機(jī)可至少降低CO2排放2 g/km。

圖2 奧迪DL382變速器采用的干油箱技術(shù)[4]

3.2 高效液壓技術(shù)

高效液壓技術(shù)也被稱為按需供能技術(shù)，多用于液壓執(zhí)行方案的DCT和其它類型的變速器中，主要包括高低壓系統(tǒng)分體技術(shù)、雙油泵技術(shù)、低泄漏電磁閥技術(shù)和與之匹配的輔助油源（如蓄能器）和電子控制策略。以上各技術(shù)常結(jié)合起來，提升變速器效率。

IAV公司在2015年提出了高效液壓技術(shù)方案[5]。以固定排量泵系統(tǒng)、固定排量泵+輔助泵系統(tǒng)與電動泵+蓄能器系統(tǒng)3種方案為研究對象，基于NEDC、UDDS、10-15和WLTC4種工況，仿真分析了3種方案的能耗。結(jié)果顯示，在4種工況下，電動泵+蓄能器系統(tǒng)的能耗水平均為最低。

奧迪DL382中高效液壓系統(tǒng)如圖3所示，采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動雙泵，分別給高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)供油。蓄能器作為輔助油源，起“削峰填谷”的作用。該套油源系統(tǒng)與傳統(tǒng)技術(shù)相比節(jié)油效果十分顯著，如圖4所示。

圖3 奧迪DL382高效油源系統(tǒng)[4]

圖4 DL382雙泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)械泵系統(tǒng)能耗對比[4]

3.3 高效的離合器技術(shù)

高效的離合器技術(shù)主要包括干式離合器技術(shù)和直動式活塞缸技術(shù)。干式離合器技術(shù)已應(yīng)用于大眾DQ200變速器產(chǎn)品中，舍弗勒公司也有多款干式離合器產(chǎn)品。按舍弗公司的研究結(jié)果，干式離合器較濕式離合器效率可提升6%[6]。干式離合器技術(shù)的節(jié)能主要原因是取消了離合器冷卻油[6-8]，降低了離合器攪油損失[1]。直動式活塞缸技術(shù)在干式離合器和濕式離合器中均可采用，優(yōu)化了活塞缸的密封形式，大幅降低了活塞缸的泄漏量。

3.4 齒輪修形技術(shù)

齒輪修形可降低齒輪嚙合的能量損失[9-10]。Luis Magalhaees，Ramiro Martins等[9]對齒輪修形、齒輪表面油膜對能量損失的影響進(jìn)行了研究。研究指出齒輪修形可降低齒輪嚙合的滑移速度，從而減少摩擦產(chǎn)生熱量，提高效率。Luis Magalhaees，Ramiro Martins等采用3種不同齒形的齒輪進(jìn)行的FZG（Forschungssteller fuer Zahnraeder und Getriebebau，Gear Research Center）試驗(yàn)，通過監(jiān)測平衡溫度反映齒輪摩擦扭矩?fù)p失，進(jìn)而反映效率改善情況。結(jié)果表明，3種修形齒輪較傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)齒輪的平衡溫度下降了5℃～10℃，降幅13.3%～25%，效率提升效果顯著。

3.5 多擋化技術(shù)

ShaoWei Gong[11]研究了發(fā)動機(jī)與變速器的匹配技術(shù)，提出了n擋變速器模型。他從理論上說明，為了實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)，不同發(fā)動機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速下，匹配的變速器速比不同。ShaoWei Gong提出為達(dá)到效率最佳，變速器擋位越多越好的結(jié)論。各大整車及零部件廠商近年來也廣泛采用多擋化技術(shù)，如豐田的L310混動變速器[12]、ZF第四代8HP變速器[13]等。

豐田L(fēng)310是在L110的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)升級，將電機(jī)將2級變速器升級為4級變速器，如圖5所示。充分利用了高效率點(diǎn)，如圖6所示。

圖5 豐田L(fēng)310與L110結(jié)構(gòu)比較[12]

3.6 低粘度油技術(shù)

在參考文獻(xiàn)[9,14]中，通過理論和試驗(yàn)證明了采用低粘度介質(zhì)可以降低扭矩?fù)p失，減小嚙合齒輪間的摩擦系數(shù)，達(dá)到減少效率損失的目的。殼牌公司對油粘度與效率損失進(jìn)行了專項(xiàng)研究，證明降低油粘度利于提高傳動效率[15]。如圖7所示，殼牌還提出了未來傳動系統(tǒng)用油，有低粘度化的趨勢的結(jié)論[16]。

圖6 豐田L(fēng)310與L110效率比較[12]

圖7 傳動系潤滑油的粘度趨勢[16]

在濕式DCT中，低粘度油技術(shù)可結(jié)合干油箱技術(shù)減少齒輪攪油損失，結(jié)合高效的離合器技術(shù)的應(yīng)用可減小離合器滑磨損失和攪油損失[7]。

4 結(jié)論

（1）高效自動變速器技術(shù)作為節(jié)能汽車技術(shù)的關(guān)鍵部分，在未來將越來越廣泛應(yīng)用。

（2）自動變速器效率提升的關(guān)鍵技術(shù)包括了干油箱技術(shù)、高效液壓技術(shù)、高效離合器技術(shù)、齒輪修形技術(shù)、多擋化技術(shù)和低粘度油技術(shù)，各項(xiàng)技術(shù)通常組合應(yīng)用，共同提高變速器效率。

（3）多擋化技術(shù)節(jié)能原理是優(yōu)化發(fā)動機(jī)高效工作區(qū)，通常需結(jié)合發(fā)動機(jī)參數(shù)完成變速器參數(shù)的匹配優(yōu)化。